化工原理课程设计

1、 沈阳化工大学科亚学院 学号： 化工原理课程设计 说明书 设计题目： 甲醇-水筛板精馏塔 设计时间： 2014.3 专业名称： 环境工程 学生姓名： 代秀娟 指导教师： 单译 设计成绩： 化工原理课程设计任务书1、 设计题目 分离甲醇-水混合液的筛板精馏塔2、 设计数据及条件生产能力： 年处理甲醇-水混合液4.3万吨（年开工300天）原料： 轻组分含量为38%（质量百分率，下同)的常温液体分离要求： 塔顶轻组分含量不低于95% 塔底轻组分含量不高于1.5%建厂地区：沈阳市3、 设计要求：1、编制一份精馏塔设计说明书，主要内容要求：.前言.流程确定和说明.生产条件确定和说明.精馏塔的设计计算.主

2、要附属设备及附件的选型计算.设计结果列表.设计结果的自我总结评价与说明.注明参考和使用的设计资料 2、编制一份精馏塔工艺条件单，绘制一份带控制点的工艺流程图。 前言 塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备之一。 塔设备的设计和研究，已经收到化工行业的极大重视。在化工生产中， 塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各个方面，都有非常重大的影响。 精馏过程的实质是利用混合物中各组分具有不同的挥发度。 即在同一温度下，各组分的饱和蒸汽压不同这一性质，使液相中的轻组分转移到汽相中，汽相中的重组分转移到液相中，从而打到分离的目的。因此精馏塔操作弹性的好坏直接

3、关系到石油化工企业的经济效益。为了加强工业技术的竞争力，长期以来，各国都在加大塔的研究力度。如今在我过常用的板式塔中主要为泡罩塔。浮阀塔，筛板塔和舌型塔等。填料种类出拉西、环鲍尔环外，阶梯环以及波纹填料、金属丝网填料等规整填料也常采用。更加强了对筛板塔的研究，提出了斜空塔和浮动喷射塔等新塔型。同时我国还进口一些新型塔设备，这些设备的引进也带动了我国自己的塔设备的科研、设计工作，加速了我国塔技术的开发。国外关于塔的研究如今已经放慢了脚步，是因为已经研究除了塔盘的效率并不取决于塔盘的结构，而是主要取决于物系的性质，如：挥发度、黏度、混合物的组分等。国外已经转向研究“在提高处理能力和简化结构的前提下

4、，保持适当的操作弹性和压力降，并尽量提高塔盘的效率。”在新型填料方面则在努力的研究发展有利于气液分布均匀、高效和制造方便的填料。蒸馏是分离液体混合物的一种方法，是传质过程中最重要的单元操作之一，蒸馏的理论依据是利用溶液中各组分蒸汽压的差异，即各组分在相同的压力、温度下，其探发性能不同（或沸点不同）来实现分离目的。例如，设计所选取的甲醇-水体系，加热甲醇（沸点64.5）和水（沸点100）的混合物时，由于甲醇的沸点较水为低，即甲醇挥发度较水高，故甲醇较水易从液相中汽化出来。若将汽化的蒸汽全部冷凝，即可将甲醇和水分离。这多次进行部分汽化成部分冷凝以后，最终可以在汽相中得到较纯的易挥发组分，而在液相中

5、得到较纯的难挥发组分，这就是精馏。在工业中，广泛应用精馏方法分离液体混合物，从石油工业、酒精工业直至焦油分离，基本有机合成，空气分离等等，特别是大规模的生产中精馏的应用更为广泛。蒸馏按操作可分为简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏等多种方式。按原料中所含组分数目可分为双组分蒸馏及多组分蒸馏。按操作压力则可分为常压蒸馏、加压蒸馏、减压（真空）蒸馏。此外，按操作是否连续蒸馏和间歇蒸馏。在化学工业和石油工业中广泛应用的诸如吸收，解吸，精馏，萃取等单元操作中，气液传质设备必不可少。塔设备就是使气液成两相通过紧密接触达到相际传质和传热目的的气液传质设备之一。塔设备一般分为阶跃接触式和连续接触式两大类。前者

6、的代表是板式塔，后者的代表则为填料塔。筛板塔在十九世纪初已应用于工业装置上，但由于对筛板的流动力学研究很少，被认为操作不易掌握，没有被广泛采用。五十年代来，由于工业生产实践，对筛板塔作了较充分的研究并且经过了大量的工业生产实践，形成可较完善的设计方法。筛板塔和泡罩塔相比较具有下列特点：生产能力大于10.5%，板效率提高产量15%左右；而压降可降低30%左右；另外筛板塔结构简单，消耗金属少，塔板的造价可减少40%左右；安装容易，也便于清理检修。本设计讨论的就是筛板塔目录化工原理课程设计 说明书1化工原理课程设计任务书2第一章 流程及生产条件的确定和说明11.1 加料方式11.2 进料状况11.3

7、 塔顶冷凝方式11.4 加热方式21.5 再沸器21.6 回流方式2第二章 精馏塔设计计算32.1 设计方案的确定32.2精料塔的物料衡算32.2.1原料液及塔顶，塔底产品的甲醇摩尔分数32.2.2原料液及塔顶，塔底的平均摩尔质量32.2.3物料衡算42.3塔板数的确定42.3.1理论板层数求取42.3.2求最小回流比操作回流比52.3.3求精馏塔的气液相负荷52.3.4求操作线方程52.3.5实际板层数的求取62.4精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算62.4.1操作压力的计算62.4.2操作温度的计算62.4.3平均摩尔质量的计算72.4.4平均密度的计算82.4.5液体平均表面张力的计算

8、112.5精馏塔的塔体工艺尺寸计算122.5.1塔径的计算122.5.2精馏塔有效高度计算132.6塔板的主要工艺计算132.6.1溢流装置计算132.6.2塔板布置15第三章 塔附件设计163.1裙座163.2塔顶空间高度163.3塔底空间高度163.4实际塔高17附录 塔板工艺及结果总汇18总结19参考文献20第一章 流程及生产条件的确定和说明1.1 加料方式 加料方式有两种：高位槽加料和泵直接加料。采用高位槽加料，通过控制液位高度，可以得到稳定的流量和流速。采用泵加料，进料受到泵的影响以及电力的影响，可能导致流量不稳定，从而影响了传质效率，但结构简单、安装方便，而且泵还具有以下优点： （

9、1）满足工艺上对流量和能量的要求； （2）结构简单，投资费用低； （3）运行可靠，效率高，日常维护费用低； （4）能适用被输送流体的特性，如腐蚀性、粘性、可燃性等。因此，从实践考虑，使用泵直接加料更为合理，而本设计采用的就是泵直接加料。1.2 进料状况泡点进料时，塔的操作易于控制，不受环境影响。饱和液体进料时进料温度不受季节、气温变化和前段工序波动的影响，塔的操作比较容易控制。此外，泡点进料，提馏段和精馏段塔径大致相同，在设备制造上比较方便。冷液进塔虽可减少理论板数，使塔高降低，但精馏釜及提馏段塔径增大，有不利之处。所以根据设计要求，泡点进料，q=1。1.3 塔顶冷凝方式塔顶冷凝采用全凝器，用

10、水冷凝。甲醇和水不反应，且容易冷凝，可以准确的确定回流比，故使用全凝器。当被冷凝的气相温度较高及组分较单一且常温下为液态时，一般采用全冷凝器冷凝，且塔顶出来的气体温度不高，冷凝后回流和产品温度不高，无需进一步冷却，此次分离是得到甲醇，因此选用全冷凝器符合要求。1.4 加热方式 精馏塔的设计中多在塔底加一个再沸器以采用间接蒸汽加热以保证塔内有足够的热量供应；由于甲醇-水体系中，甲醇是轻组分由塔顶冷凝器冷凝得到，水为重组分有塔底排出。所以本设计应采用再沸器提供热量，采用间接蒸汽加热。1.5 再沸器 再沸器的作用是加热塔底料液使之补分气化，已提供精馏塔内的上升气流，分为内置式和外置式，本设计将采用外

11、置再沸器。1.6 回流方式 回流方式可分为重力回流和强制回流，由于重力的原因使的冷却后的液体可以直接进入塔内，可以避免泵的使用，从长远角度考虑，泵使用时间和维修成本成正比，由于泵内部件磨损，容易出现问题。所以，综上考虑，本设计采用重力回流。第二章 精馏塔设计计算2.1 设计方案的确定 本设计任务书为分离甲醇-水混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内，分离后产生的甲醇经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的2 倍。2.2精料塔的物料衡算2.2.1原料液及塔顶，塔底产品的甲醇

12、摩尔分数=0.25642.2.2原料液及塔顶，塔底的平均摩尔质量2.2.3物料衡算全塔物料衡算： 轻组分物料衡算:联立得：D=75.6999 W=200.932.3塔板数的确定2.3.1理论板层数求取 采用图解法求，根据甲醇水气液平衡数据着图； 表 1 甲醇水气液平衡数据温度/甲醇摩尔分数%温度/甲醇摩尔分数%xy x y1000.000.0071.30.5940.81892.90.0530.28370.60.6850.84990.30.0760.40068.00.8560.89688.90.0930.43566.90.8740.91985.00.1310.54564.71.001.0081.

13、60.2080.62778.00.2820.67173.80.4620.77672.70.5290.791由上表绘出y-x图 如图1（附录）所示：总理论板数： 进料板位置： 2.3.2求最小回流比操作回流比采用作线法求最小回流比，在图1（附录)中找出的横坐标作垂线即为进料线，该线与平衡线的交点坐标为： 所以最小回流比为： 操作回流比为：R=2.3.3求精馏塔的气液相负荷L=RD=1.5414V=(R+1)D=(1+1.5414）2.3.4求操作线方程精馏段操作线方程： y=0.6065x+0.3598提留段操作线方程： y=2.0444x-0.00892.3.5实际板层数的求取已知塔板效率：实

14、际精馏段塔板数： 实际提馏段塔板数： 2.4精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算2.4.1操作压力的计算塔顶操作压力:每层塔板的压降：进料板操作压力：精馏段的平均压力：塔釜操作压力提留段的平均操作压力：2.4.2操作温度的计算 根据甲醇-水物系的气液平衡数据查出相邻的两个摩尔分数线及温度，同理球的塔顶温度：进料板温度：塔底温度：精馏段平均温度：提留段平均温度：2.4.3平均摩尔质量的计算 塔顶平均摩尔质量的计算由 查图得 进料板摩尔质量计算 由图解理论板和平衡曲线得 塔釜平均摩尔质量的计算 精馏段的平均摩尔质量的计算提留段的平均摩尔质量2.4.4平均密度的计算表2 甲醇与水在不同温度下的密度温

15、度/406080100120甲醇/kg/m3783.5761.1737.4712.0684.7水/kg/m3992.2983.3971.8958.4943.1液相平均密度的计算液相平均密度依下公式计算： 塔顶液相平均密度的计算 进料口平均摩尔质量的计算 塔底液相平均密度的计算故，精馏段液相平均密度： 同理提留段平均相对密度：气相平均密度的计算有理想气体状态方程可得：2.4.5液体平均表面张力的计算表3 甲醇与水在不同温度下的表面张力温度406080100120甲醇103/N/M19.6717.3315.0412.8010.63水103/N/M69.6566.2262.5958.8654.84塔

16、顶液相平均表面张力的计算进料板液相平均表面张力的计算塔底液相平均表面张力的计算故，精馏段平均表面张力为同理，提留段平均表面张力为综上所述，全塔平均表面张力为2.5精馏塔的塔体工艺尺寸计算2.5.1塔径的计算提馏段气相体积流率为：取板间距 查史密斯关联图取板上液层高度取安全系数0.7则故精馏段： 提馏段：圆整后得： 所以全塔塔径：D=1m塔截面积 空塔气速 2.5.2精馏塔有效高度计算精馏段有效高度：提留段有效高度： 在实际情况中，为了便于设备维护和检修，在进料板上方开一人孔，取其高度为0.8m综上所述，精馏塔的有效高度为：2.6塔板的主要工艺计算2.6.1溢流装置计算因塔径D=1m,可选用单溢

17、流弓形降液管，采用凹形受液盘。计算如下：选用平直堰，近似取E=1取板上液层高度：所以 弓形降液管宽度和降液管面积由 ，查弓形降液管得参数图得 验算液体在降液管中停留的时间，即：故降液设计合理 降液管底隙高度 故降液管底隙高度设计合理2.6.2塔板布置表4 踏板分块数与塔径的关系塔径mm80012001400160016002000分块345（1） 塔板分类：因为D=1m,故塔板采用分块式，差得塔板分块为3块.（2） 边缘宽度的确定取 开孔区面积筛板计算及排列本设计处理的物理无腐蚀性，可选用板厚的碳板，取筛孔的直径取孔距则，筛孔数为：开孔率：气体通过筛孔的气速 第三章 塔附件设计3.1裙座 塔底

18、常用裙座支撑，裙座的结构性能好，连接处产生的局部阻力小，所以它是塔设备的主要支撑附件，为了操作方便，一般采用圆筒形裙座，由于裙座内经大于800mm,故裙座厚度取16mm基础换内经基础环外径圆整后得： 基础环厚度应考虑到腐蚀余量，取18mm，裙座高取3m，地角螺栓直径取。3.2塔顶空间高度 塔顶空间高度指塔顶第一层塔盘到塔顶封头的直线距离，根据实际需求和处理原料的物性，还需考虑装除沫器，所以塔顶高度取3m.3.3塔底空间高度塔底也需预留空间，考虑塔釜停留时间，一般为10min左右。综上考虑，取塔底空间高度为1m。3.4实际塔高实际塔高=塔顶高+精馏段高度+人孔+提馏段高度+裙座综上所述，塔实际高度为12.4m.附录 塔板工艺及结果总汇序号项目数值1平均温度，80.85212平均压力，103.753气相流量,（m3/s)1.46694液相流量，(m3/s)0.0015实际塔板数166有效段高度Z，m6.47塔径，m1.08板间距，m0.49溢流形式单溢流10堰长，m0.6611堰高，m0.051212降液管形式弓形13板上液层高度，m0.0614堰上液层高度，m0.008815安定区宽度，m0.07016边缘区宽度，m0.12417开孔面积，m20.202118筛孔直径，m0.0041